高速線材中活套控制的應(yīng)用和研究

朱擁民

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)

0 引言

張力控制是高速線材軋制工藝中保證產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，活套控制作為張力控制的一種，通常布置在預(yù)精軋各機(jī)架之間、預(yù)精軋機(jī)組與中軋機(jī)組之間、精軋機(jī)機(jī)組之間等軋件斷面小、容易起套的區(qū)域，為實現(xiàn)無張力軋制發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其控制性能的狀況決定著盤卷產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，有必要對其進(jìn)行細(xì)致的研究。不銹線材廠的高速線材生產(chǎn)線于1992年投產(chǎn)，2019年完成智能化升級改造，以220 mm×220 mm×3 500 mm的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠滿足Φ5.5 mm～Φ20 mm螺紋和光圓盤卷的生產(chǎn)要求。

1 高速線材工藝概況

高速線材工藝流程如圖1所示，加熱好的鋼坯按節(jié)奏由爐內(nèi)輥道輸送出爐，經(jīng)高壓水除鱗裝置后進(jìn)入軋機(jī)開始軋制。軋機(jī)區(qū)由開坯機(jī)、6架粗軋機(jī)、4架中軋機(jī)、6架預(yù)精軋機(jī)、10架精軋機(jī)以及4架減定徑軋機(jī)組成。開坯機(jī)為往復(fù)式軋制，粗、中軋機(jī)均為平立交替布置，精軋機(jī)組和減定徑機(jī)組均為頂交式，實現(xiàn)全線無扭微張力和無張力軋制。在各機(jī)組之間均設(shè)有飛剪，用于切頭尾、事故時進(jìn)行碎斷。減定徑后設(shè)夾送輥和吐絲機(jī)。線材經(jīng)斯太爾摩風(fēng)冷線運(yùn)輸收集到立式卷芯架上，形成外徑為Φ1 250 mm、內(nèi)徑為Φ850 mm的盤卷。盤卷經(jīng)立式卷芯架系統(tǒng)運(yùn)輸并掛到PF線(power and free conveyor)的“C”型鉤上。

圖1 高速線材工藝流程

2 活套控制系統(tǒng)應(yīng)用

高速線材軋機(jī)屬連軋機(jī)組，其穩(wěn)定工作的前提是各機(jī)架秒流量相等，各機(jī)架之間實現(xiàn)無張力軋制。但實際生產(chǎn)過程中，受鋼溫波動、軋槽磨損等因素的影響，軋制過程呈現(xiàn)為動態(tài)變化的過程，相鄰機(jī)架之間會有秒流量差，進(jìn)而引起軋件張力的變化，這就需要調(diào)整各機(jī)架軋制速度，盡量消除秒流量差，以達(dá)到控制張力的目的。然而，單純依靠兩機(jī)架之間的速度調(diào)節(jié)控制張力且不造成堆鋼是難以實現(xiàn)的。因此，通過在機(jī)架之間建立活套，使軋制狀態(tài)維持一個動態(tài)平衡，從而得到穩(wěn)定的軋制過程。

2.1 活套控制系統(tǒng)組成及起落套控制

2.1.1 活套控制系統(tǒng)組成

活套由活套臺、起套輥、工作輥、壓輥和活套掃描器等部分組成，其中，活套臺的作用就是通過增加或減少所存儲的套量來緩沖機(jī)架間過大的拉張力或堆張力，從而避免軋件尺寸超差。不銹線材廠活套控制系統(tǒng)由一個水平活套(1SL)和四個立活套(1UL～4UL)組成，如圖2所示。預(yù)精軋機(jī)組(11H～16V，H代表平軋機(jī)，V代表立軋機(jī))各機(jī)架間間距小，采用立活套，它依靠起套輥起套并支撐活套，套量存儲少；預(yù)精軋機(jī)組與精軋機(jī)組(FBL)之間采用水平活套，它依靠機(jī)架間的速度自由形成或依靠起套輥幫助起套,套量存儲大。活套掃描器通過測量實際套高，間接計算出軋件長度，在軋制過程中根據(jù)各架軋機(jī)秒流量相等的原理，等比例逆調(diào)各機(jī)架速度，實現(xiàn)級聯(lián)控制，從而保證成品的質(zhì)量和軋制效率。

圖2 活套系統(tǒng)布置示意圖

圖3 活套長度計算示意圖

2.1.2 活套起套和落套控制

活套控制系統(tǒng)利用軋線熱檢、負(fù)荷信號及活套掃描器對軋件的頭尾進(jìn)行實時位置跟蹤。以12V和13H為例，根據(jù)12V架速度和12V與13H間距離計算出軋件從12V到13H的理論行進(jìn)時間T，當(dāng)軋件頭部到達(dá)12V架時，啟動定時器，延時T后，2UL起套輥動作，同時12V架開始升速，使得套量不斷累積增高，當(dāng)掃描器檢測到活套臺內(nèi)套量達(dá)到預(yù)設(shè)高度時，12V恢復(fù)到原始給定速度，進(jìn)入到自由活套控制過程。時間T的確定很關(guān)鍵，應(yīng)確保13H咬入軋件時起套輥動作，如果起套過早，軋件不易咬入13H，造成堆鋼；起套過晚，一旦軋件咬入13H，受軋件張力影響，再起套難度較大。此外，需要將控制活套起落的電磁閥動作時間考慮在內(nèi)，將T適當(dāng)提前，補(bǔ)償電磁閥死區(qū)時間。當(dāng)11H架負(fù)荷信號消失后，12V降速，2UL開始收套，當(dāng)12V架負(fù)荷信號消失時，收起起套輥，要避免突然收套造成甩尾，過早收輥造成尾部打結(jié)。

2.2 活套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

活套控制系統(tǒng)的任務(wù)就是利用安裝于各機(jī)架軸端的編碼器測量出軋機(jī)實際運(yùn)行速度，間接計算軋件張力現(xiàn)狀，通過調(diào)整機(jī)架速度，使軋件張力維持在特定的范圍內(nèi)，達(dá)到張力控制的目的。活套的套高和軋機(jī)的運(yùn)行速度是活套控制系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.1 活套控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

活套控制系統(tǒng)為PI調(diào)節(jié)器，它由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成，如圖4所示。其中，內(nèi)環(huán)為調(diào)速系統(tǒng)，位于傳動裝置S120中，包括電流環(huán)和速度環(huán)；外環(huán)為活套調(diào)節(jié)環(huán)，位于PLC控制系統(tǒng)內(nèi)。活套掃描器將套高實際值與給定值作比較，其偏差經(jīng)活套調(diào)節(jié)器處理后輸出疊加在PLC速度給定，并與編碼器速度反饋相比較，經(jīng)內(nèi)環(huán)系列調(diào)節(jié)確保套高維持在一個恒定值。由于軋制過程是一個動態(tài)平衡過程，期間會有多種干擾因素，如軋件溫差、輥縫調(diào)節(jié)等，速度環(huán)就是抑制擾動，特別是負(fù)載擾動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，在軋制過程中應(yīng)盡量減少活套的大幅度波動，避免因張力的頻繁變化導(dǎo)致軋件尺寸超差。如果不能及時消除由一個小的負(fù)載波動導(dǎo)致的速度偏差，使得與偏差相關(guān)的機(jī)架間的套量產(chǎn)生較大波動，加之級聯(lián)調(diào)速，會使整個活套系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動，恢復(fù)平衡狀態(tài)時間較長。因此，在實際生產(chǎn)過程中，在確保速度穩(wěn)定的前提下可適當(dāng)增大速度調(diào)節(jié)器的比例時間TP，減少積分時間TI，使得速度調(diào)節(jié)器能夠?qū)_動快速響應(yīng)，提高速度環(huán)對負(fù)載的抗干擾能力，減少負(fù)載波動對活套的影響。對于外環(huán)活套環(huán)，由于套量的滯后性較大，調(diào)節(jié)時間長，在保證快速響應(yīng)的同時應(yīng)避免超調(diào)過大造成的調(diào)整時間過長。

圖4 活套控制系統(tǒng)應(yīng)用原理

2.2.2 活套控制系統(tǒng)的級聯(lián)調(diào)節(jié)

不銹線材廠軋線級聯(lián)調(diào)節(jié)以精軋機(jī)出口機(jī)架為基準(zhǔn)，采用逆軋制方向調(diào)節(jié)上游機(jī)架的軋制速度,從而控制整個軋線的軋制張力；對下游的吐絲機(jī)夾送輥方向采用順調(diào)。逆調(diào)方式相比順調(diào)方式能夠改善精軋機(jī)上游機(jī)架的動特性，以立活套2UL為例，當(dāng)實際套高HA>活套給定值HS時，即12V和13H之間套量過大，則活套調(diào)節(jié)器輸出補(bǔ)償分量ΔHn減小，速度調(diào)節(jié)器輸入端偏差信號相應(yīng)減小。由于系統(tǒng)為逆軋制方向調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)降低12V電機(jī)給定速度，則2UL套量隨之減小并維持在設(shè)定套高。與此同時，為遵守軋件秒流量相等的原則，系統(tǒng)會同比例調(diào)節(jié)11H架給定速度，當(dāng)實際套高<活套給定值時，即12V和13H之間套量過小，則活套調(diào)節(jié)器輸出補(bǔ)償分量ΔHn增大，速度調(diào)節(jié)器輸入端偏差信號相應(yīng)增大，速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)提高12V電機(jī)給定速度，則2UL套量隨之增大并維持在設(shè)定套高，同時，同比例增大11H速度給定。當(dāng)2UL達(dá)到套高設(shè)定值時，系統(tǒng)保持12V架電機(jī)給定速度不變。同理，當(dāng)調(diào)節(jié)13H時，同比例調(diào)節(jié)12V和11H給定速度。級聯(lián)調(diào)速保證了各機(jī)架間的速比恒定，維持張力在一個恒定值，從而確保軋制過程的順利進(jìn)行和成品質(zhì)量。

3 運(yùn)行故障分析

設(shè)備在調(diào)試和運(yùn)行期間，出現(xiàn)了起套落套動作異常、活套抖動大等現(xiàn)象，根據(jù)軋線實際情況制定了相應(yīng)的解決措施。

3.1 活套掃描器假信號

活套掃描器易受水汽、強(qiáng)光等影響產(chǎn)生假信號，為此增加吹掃裝置，避免水汽遮擋干擾；廠房照明或經(jīng)過天窗照射進(jìn)來的強(qiáng)光會使掃描器信號異常，必要時應(yīng)遮擋或調(diào)整掃描角度；確保每支鋼頭尾間隔5 s以上，防止尾鋼熱輻射造成假頭部信號。

3.2 活套抖動

活套臺前后工作輥、壓輥磨損嚴(yán)重，磨損部位影響軋件運(yùn)行，迫使軋件改變運(yùn)行方向；起套輥本身松動，造成引導(dǎo)方向偏離軋制線。因此，應(yīng)及時更換或修復(fù)磨損的滾輪，定期點檢起套輥運(yùn)行狀態(tài)，可以通過標(biāo)識基準(zhǔn)位查看起套輥是否偏離軋制線。

3.3 起套和落套不及時

由于預(yù)精軋機(jī)組和精軋機(jī)組間為一段爬坡輥道，行進(jìn)距離較長，軋件跟蹤計算的精軋機(jī)咬入時間與實際咬入時間偏差較大，為確保正常起套，避免飛鋼，將精軋機(jī)負(fù)荷信號引入，即當(dāng)延時時間T到后，且系統(tǒng)收到精軋機(jī)負(fù)荷信號時，起套輥動作。此外，當(dāng)電磁閥線圈老化、氣閥故障漏氣也會使起套輥起套慢。為降低起套輥本身硬件故障頻次，建議采用二位氣閥。

4 結(jié)語

活套控制作為張力控制的一種，為實現(xiàn)無張力軋制發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過在機(jī)架之間建立活套、優(yōu)化活套控制系統(tǒng)，使軋制狀態(tài)維持一個動態(tài)平衡，得到穩(wěn)定的軋制過程，確保了線材產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。